CN106645088A - 超微量取样反射式光纤拉曼探针及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种超微量取样反射式光纤拉曼探针及制作方法。包括同轴双通道光纤，在所述同轴双通道光纤的端面经过精细研磨形成一个旋转对称反射光学结构，在研磨好的结构上镀有反射膜，在同轴双通道光纤的端面还刻蚀有一个盛放微纳尺寸物质的凹槽；同轴双通道光纤的环形芯用于激发光的传输，同轴双通道光纤的中间芯用于拉曼散射光的收集，镀有反射膜的旋转对称反射光学结构对环形芯传输的激发光反射汇聚、汇聚于盛放在凹槽内的待测物质上，生成的拉曼散射光被中间芯收集并传输至光谱仪中进行分析。本发明通过光纤端锥体加工技术，极大地增强了光与痕量物质相互作用的效率，能实现对微生物、活体单细胞等微小粒子的拉曼光谱的有效激发和获取。

Description

超微量取样反射式光纤拉曼探针及制作方法

技术领域

本发明涉及的是一种光纤拉曼探针。本发明也涉及一种光纤拉曼探针的制作方法。具体地说是一种超微量取样反射式光纤拉曼探针及其制作方法。

背景技术

拉曼光谱技术是通过光与物质相互作用后，产生拉曼散射光谱来反映物质内部结构和分子振动信息的一门技术。它在生物医学，环境检测，食品安全等领域应用广泛。而拉曼探针的设计与制作是拉曼光谱技术发展的关键技术之一。

为了精确地实现超微量取样拉曼光谱分析的准确性，使拉曼光谱分析的研究提升到痕量物质的分子水平的程度，在技术上必须解决的两个问题是：

(1)由于微量物质很少，必须将待分析物质集中在微米尺度，因而需要使拉曼散射光斑处于该微纳尺度区域，才能实现待测物质的空间高精度分辨；

(2)有效利用微量物质，使激发光能准确地作用于待测微量物质，从而高效准确地获取其拉曼光谱。

光纤技术应用于拉曼光谱的探测具有方便、小巧、灵活的特点，由光纤制作成光纤拉曼探针将会是解决痕量物质拉曼光谱的研究提升到高精度分子水平的程度的重要手段之一。A.M.Janse等人报道了采用双光纤技术开展拉曼谱技术研究(Photochemistry andPhotobiology,1998,68(3):427-431)，为了提高后向散射拉曼光谱信号的收集效率，J.T.Motz等人采用的激发光纤芯径为200μm(100mW激发功率)，聚焦系统的焦斑约为100μm，围绕光激发光纤增加了一圈芯径同样为200μm的大芯径光纤作为后向散射拉曼光信号的接收光纤，这使得探头的尺寸较大，使用的光纤束探头，直径达到了2mm，难于实现细胞尺度的探测(Appl Opt,2004，43(3)：542-554)。为了实现微米级单细胞拉曼谱的测量，2008年，J.W.Chan等人将传统光镊技术与拉曼光谱探测相结合，实现了单细胞拉曼光谱的测量(Analytical Chemistry,2008,80(6):2180)。但是传统光镊是基于较庞大的显微镜系统得以实现的，所以其光路调节不便且使用的灵活性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够获得微米尺度的强聚焦光斑，极大地增强光与物质的相互作用，实现痕量物质拉曼光谱的精确测量的超微量取样反射式光纤拉曼探针。本发明的目的还在于提供一种超微量取样反射式光纤拉曼探针的制作方法。

本发明的超微量取样反射式光纤拉曼探针包括同轴双通道光纤，在所述同轴双通道光纤的端面经过精细研磨形成一个旋转对称反射光学结构，在研磨好的结构上镀有反射膜，在同轴双通道光纤的端面还刻蚀有一个盛放微纳尺寸物质的凹槽；同轴双通道光纤的环形芯用于激发光的传输，同轴双通道光纤的中间芯用于拉曼散射光的收集，镀有反射膜的旋转对称反射光学结构对环形芯传输的激发光反射汇聚、汇聚于盛放在凹槽内的待测物质上，生成的拉曼散射光被中间芯收集并传输至光谱仪中进行分析。

本发明的超微量取样反射式光纤拉曼探针还可以包括：

1、所述旋转对称反射光学结构为旋转对称锥面反射汇聚结构，是底角为α的圆锥台，15°≤α≤45°。

2、所述旋转对称反射光学结构为旋转对称弧形锥面反射聚焦结构，是曲率半径为R(R≥50μm)的旋转对称弧面圆锥台。

3、同轴双通道光纤拉曼探针通过三端口环形器的一端与同轴双通道光纤拉锥耦合，另外两端分别连接至激光光源与光谱仪，实现激发光与散射光的传输。

本发明的超微量取样反射式光纤拉曼探针的制作方法为：

步骤一：锥体粗磨

将同轴双通道光纤放置于光纤端研磨台的光纤夹具上，调整同轴双通道光纤与研磨台的夹角，开启研磨机，进行光纤端平面旋转对称结构锥台的研磨，将锥台的底角粗磨至α角度，15°≤α≤45°；

步骤二：锥体抛光

将研磨好的锥体进行抛光，放在超声清洗槽中清洗、烘干；

步骤三：镀膜

将磨好的同轴双通道光纤放入镀膜机中，使研磨好的锥台侧面镀上一层反射金属膜；

步骤四：刻蚀凹槽

使用飞秒激光器在将磨好的同轴双通道光纤的锥台的中间芯处刻蚀凹槽。

本发明的超微量取样反射式光纤拉曼探针的制作方法还可以包括：

在步骤一与步骤二之间增加锥体优化精磨步骤，具体包括：在步骤一粗磨的基础上，在研磨的同时调节光纤的俯仰角，对步骤一中粗磨的旋转对称平面结构进行弧面优化，使其研磨至曲率半径为R的弧度的旋转对称弧面锥台反射聚焦结构。

本发明提供了一种超微量取样反射式光纤拉曼探针，实现对微生物、活体单细胞等微小粒子的拉曼光谱的有效激发和获取。

本发明使用了新型的同轴双通道光纤来制作适合用于痕量微生物或细胞等微纳级别粒子拉曼光谱探测的拉曼探针，该光纤探针将激发光通道与探测光通道微缩集成在一根直径在125μm的同轴双波导光纤中，通过光纤端的圆形锥台加工技术，可以将来自环形光纤芯的激发光斑聚焦在微米尺度内。光纤端用激光刻蚀一个凹槽，用于直接盛放待测微量物质，将待此微量物质限制在一个微米级空间，从而使激发光能稳定、高效地与其相互作用，产生的拉曼散射光信号通过中心同轴光纤芯来收集。

本发明通过光纤端锥体加工技术，极大地增强了光与痕量物质相互作用的效率，可以使得激发光总功率得以降低，对于微量活体物质而言，减少了由于激光的能流密度过高对活体组织细胞的损伤和影响，在总功率尽可能低的激发光功率情况下，使有限的光能量高度聚焦在待测活体物质的微纳区域。此外，由于所有的光学系统都集成在一根光纤中，达到了光学探头尽可能的小巧和灵活的目的。

本发明能够获得微米尺度的强聚焦光斑，极大地增强了光与物质的相互作用，实现了痕量物质拉曼光谱的精确测量。

附图说明

图1是超微量取样反射式光纤拉曼探针工作原理示意图。

图2a是同轴双通道光纤截面示意图，图2b是同轴双通道光纤折射率分布示意图。

图3a-图3b是旋转对称平面锥台结构，其中图3a为锥台底角α＝45°时；图3b为锥台底角15°≤α＜45°时。

图4a-图4b是优化后的旋转对称弧面锥台结构。

图5是弧面优化的方法示意图。

图6是锥台底角α＝45°时，优化后聚焦点最大能量密度随优化弧曲率半径的变化曲线图。

图7a-图7b是锥台底角α＝45°时，优化前、后光场能量分布图的对比(沿光纤轴切片)，其中图7a为优化前能量分布图，图7b为优化后能量分布图。

图8是锥台底角α＝21°时，优化后聚焦点最大能量密度随优化弧曲率半径的变化曲线图。

图9a-图9b是锥台底角α＝21°时，优化前、后光场能量分布图的对比(沿光纤轴切片)，其中图9a为优化前能量分布图，图9b为优化后能量分布图。

图10是同轴双通道光纤与单模光纤拉锥耦合方式示意图。

图11是超微量取样反射式同轴双通道光纤拉曼探针研磨过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步描述。

本发明的超微量取样反射式光纤拉曼探针采用如图2a所示的同轴双通道光纤1，图2b表示该光纤折射率n随半径的分布情况。该种类光纤由环形芯1-1、同轴分布的中间芯1-2及包层构成。

本发明超微量取样反射式光纤拉曼探针，通过对同轴双通道光纤的纤端进行精细研磨，形成一个底角为α(15°≤α≤45°)的旋转对称锥台结构(或弧形锥台结构)1-3，然后在其锥台结构的侧面镀上一层反射膜1-7，接着在同轴双通道光纤的纤端中间芯处刻蚀一个凹槽1-4，用于盛放待测的微量液体或细胞等物质4。

本发明的同轴双通道光纤拉曼探针光纤端的旋转对称反射光学结构的形式有如下两种，1)旋转对称锥面反射汇聚结构；2)旋转对称弧形锥面反射聚焦结构。

结合图3a-图3b，旋转对称锥面反射汇聚结构：其结构由精细研磨光纤端面而形成的底角为α(15°≤α≤45°)的圆锥台，并镀上反射金属膜1-7。其能够对同轴双通道光纤的环形芯1-1输出的激发光1-5进行反射而汇聚，汇聚的激发光1-5能与盛放于凹槽1-4中的物质4充分相互作用，产生的拉曼散射光1-6将经由同轴双通道光纤的中间芯1-2传输。

结合图4a-图4b，旋转对称弧形锥面反射聚焦结构：其结构与旋转对称锥面反射汇聚结构的不同之处在于其反射面是曲率半径为R(R≥50μm)的旋转对称弧面圆台。这样的旋转对称弧面结构能使激发光在凹槽1-4内的聚焦光斑更小，聚焦点处平均能量密度更高，从而使得光与物质4的相互作用更加充分。

同轴双通道光纤拉曼探针的制作方法是：

步骤一：锥体粗磨。将同轴双通道光纤放置于光纤端研磨台的光纤夹具上，调整同轴双通道光纤与研磨台的夹角，开启研磨机，进行光纤端平面旋转对称锥台结构的研磨，将锥台的底角粗磨至α角度(15°≤α≤45°)附近。

步骤二：锥体优化精磨。在步骤一粗磨的基础上，在研磨的同时调节光纤的俯仰角，对步骤一中粗磨的旋转对称平面结构进行弧面优化，使其研磨至具有最佳弧度的旋转对称弧形锥台反射聚焦结构。

步骤三：锥体抛光。将研磨好的锥体进行抛光，放在超声清洗槽中清洗、烘干。

步骤四：镀膜。将磨好的光纤放入镀膜机中，使研磨好的锥台侧面镀上一层反射金属膜。

步骤五：刻蚀凹槽，使用飞秒激光器在探针尖端的中间芯处刻蚀凹槽。

图1是超微量取样反射式同轴双通道光纤拉曼探针工作原理示意图，本发明的工作原理为：激发光由单模光纤2从激光器5引出，经过三端口环形器8传输至单模光纤和同轴双通道光纤的拉锥耦合区3，这种拉锥连接方式能将单模光纤内传输的激发光耦合进同轴双通道光纤的环形芯1-1内。激发光经由环形芯1-1传输至同轴双通道光纤探针的旋转对称锥台结构1-3处被反射，反射后的激发光会在中间芯端面处刻而蚀形成的凹槽1-4内汇聚，并与盛放在凹槽1-4内的待测物质4充分相互作用，产生拉曼散射光。拉曼散射光1-6经由中间芯1-2收集并反向传输，经过拉锥耦合区3、环形器8、滤波器7后，被导入光谱仪6中进行分析。其中，滤波器7用于滤除返回的信号光中夹杂的激发光波长成分。

图3是超微量取样反射式同轴双通道光纤拉曼探针的旋转对称平面反射汇聚结构示意图。该结构的底角15°≤α≤45°。当α＝45°时，实现的是汇聚激光激发，中间芯收集侧向拉曼散射光；当15°≤α<45°时，中间芯收集的是准前向拉曼散射光，可以根据实际测量粒子大小，结合该粒子在各个方向上散射强度分布来选择合适的锥台底角。

图4是弧面优化后的旋转对称弧面反射汇聚结构示意图，经弧面优化的旋转对称反射结构会使得反射的激发光聚焦光斑更小，聚焦能量更强，从而使拉曼激发效率得到极大的提高。其优化方法如图5所示，先将同轴双通道光纤研磨成底角为α的旋转对称锥台反射结构，然后以此为基准，做一个曲率半径为R的切圆，并依据切圆对其进行弧面优化研磨，形成弧形锥台反射结构。

下面举两个例子对这种旋转对称的锥台结构做出说明：

这里利用comsol软件对该反射结构建立了平均功率分布模型(即环形芯内的能量满足轴对称径向高斯分布)。图6是锥台底角α＝45°时，优化后聚焦点最大能量密度随优化弧曲率半径的变化曲线图；图7是锥台底角α＝45°时，优化前后光场能量分布图。由这两个图可以看出，优化后的聚焦效果得到明显的改善，光斑的尺寸只有微米量级，且聚焦点平均能量密度很高，最大能达到5830J/m^3,这样能够实现光与物质的充分相互作用。同理，图8是锥台底角α＝21°时，优化后聚焦点最大能量密度随优化弧曲率半径的变化曲线图，图9是锥台底角α＝21°时，优化前后光场能量分布图，可以看出优化后的探针的聚焦效果也得到改善。

以上仅是对旋转对称锥台结构的举两例分析，对于任意的底角α(15°≤α≤45°)，对应于不同方向拉曼散射光收集方式的探针。

图10是同轴双通道光纤1与单模光纤2拉锥耦合方式示意图。拉曼激发光1-5经单模光纤2传输，在拉锥区3耦合进同轴双通道光纤1的环形芯1-1内；由同轴双通道光纤中间芯1-2反向传输的拉曼散射光1-6会通过拉锥耦合区进入单模光纤2内传输。

下面举一例说明本发明的制作过程：

图11展示的是本发明使用到的光纤端精细研磨装置和研磨过程示意图。其中研磨台9可沿其中心轴转动，光纤夹具10除了能沿其轴转动外，还可以调整其俯仰角度，用于锥台的弧面优化。本发明首先将同轴双通道光纤放置在光纤夹具10上，调整至适当的位置，然后对其进行光纤端锥体粗磨，待锥体底角接近α度时，再使光纤夹具10同时调节光纤的俯仰角，以对光纤端进行锥体优化精磨。等完成优化精磨后，对其进行抛光、清洗，并在其旋转对称锥台结构1-3侧面镀膜。最后，在纤端中间进行激光刻蚀，形成用于盛放微量物质的凹槽1-4。这样就制得所述的超微量取样反射式光纤拉曼探针。

Claims (6)

1.一种超微量取样反射式光纤拉曼探针，包括同轴双通道光纤，其特征是：在所述同轴双通道光纤的端面经过精细研磨形成一个旋转对称反射光学结构，在研磨好的结构上镀有反射膜，在同轴双通道光纤的端面还刻蚀有一个盛放微纳尺寸物质的凹槽；同轴双通道光纤的环形芯用于激发光的传输，同轴双通道光纤的中间芯用于拉曼散射光的收集，镀有反射膜的旋转对称反射光学结构对环形芯传输的激发光反射汇聚、汇聚于盛放在凹槽内的待测物质上，生成的拉曼散射光被中间芯收集并传输至光谱仪中进行分析。

2.根据权利要求1所述的超微量取样反射式光纤拉曼探针，其特征是：所述旋转对称反射光学结构为旋转对称锥面反射汇聚结构，是底角为α的锥台，15°≤α≤45°。

3.根据权利要求1所述的超微量取样反射式光纤拉曼探针，其特征是：所述旋转对称反射光学结构为旋转对称弧形锥面反射聚焦结构，是曲率半径为R的旋转对称弧面圆锥台，R≥50μm。

4.根据权利要求1、2或3所述的超微量取样反射式光纤拉曼探针，其特征是：同轴双通道光纤拉曼探针通过三端口环形器的一端与同轴双通道光纤拉锥耦合，另外两端分别连接至激光光源与光谱仪，实现激发光与散射光的传输。

5.一种超微量取样反射式光纤拉曼探针的制作方法，其特征是包括如下步骤：

步骤一：锥体粗磨

将同轴双通道光纤放置于光纤端研磨台的光纤夹具上，调整同轴双通道光纤与研磨台的夹角，开启研磨机，进行光纤端平面旋转对称结构锥台的研磨，将锥台的底角粗磨至α角度，15°≤α≤45°；

步骤二：锥体抛光

将研磨好的锥体进行抛光，放在超声清洗槽中清洗、烘干

步骤三：镀膜

将磨好的同轴双通道光纤放入镀膜机中，使研磨好的锥台侧面镀上一层反射金属膜；

步骤四：刻蚀凹槽

使用飞秒激光器在将磨好的同轴双通道光纤的锥台的中间芯处刻蚀凹槽。

6.根据权利要求5所述的超微量取样反射式光纤拉曼探针的制作方法，其特征是：在步骤一与步骤二之间增加锥体优化精磨步骤，具体包括：在步骤一粗磨的基础上，在研磨的同时调节光纤的俯仰角，对步骤一中粗磨的旋转对称平面结构进行弧面优化，使其研磨至曲率半径为R的弧度的旋转对称弧面锥台反射聚焦结构。